CFDer的Plan B

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家
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4年前浏览2743

前两天，matlab禁了哈工大与哈工程的文章刷爆了朋友圈，这两天，呼吁国家砸钱搞国有工业软件的文章又刷爆了朋友圈。对于CFD纯应用的人来讲，工业软件开发的事情我们多半不用管，有什么用什么才是正道。个人看来，就目前这形势，再过10年国内大概也不会有一款能拿得出手的通用CFD软件（能和Fluent、Star CCM+正面PK），至于那些深藏功与名的内部单位使用软件，与吾等平头百姓多半也不会有交集。

扯远了，今天的话题不是这个，今天来扯一扯没有了商用软件该怎么处理，虽然说这种情况不大可能会发生在吾等头上，但是从最极端的状态去考虑，多条退路总是不错的。作为一个CFD应用人员，平时不怎么关注CFD内部算法，就算要找备胎，那也要找一些尽可能简化操作的备胎。有句话说的好：“你可以不用，但你不能不会用”。真事到临头了，好歹能有个回旋的余地。

想象一下CFD商业软件被禁用的场景（在这之前，操作系统多半也会被禁用）：

来自欧美国家的操作系统不给使用。转而使用Linux或Unix系统，还只能使用开源版，水果机就不别玩了
CAD建模软件。国产有一些3D CAD软件，然而好像多数都是工作在窗户系统下的，Linux或Unix系统下的极少。前些年听说中望CAD要开发Linux系统下的软件，不过那个是对标Autocad的二维图纸软件。中望3D还没发现Linux版本的，不知道现在有了没有。不过Linux下可以找一些备胎，如简单的几何建模可以使用Salome，复杂几何模型可以试试FreeCAD，这两款都是开源的。
网格生成软件。找了一圈国产的几乎没有，去年空气动力中心宣传了一波他们的NNW-GridStar，今天上他们网站看了一下，已经更新到了2.5版本，而且提供免费下载，值得赞一个。不过我只发现了x86/x64版本的，没有找到支持Linux版本的。既然窗口系统不让用了，这似乎也耍不成了。Linux下可以选择的网格生成软件其实有一些，比如Gmesh、Salome等，现在也没办法去讲究好不好用了。
求解器。通用的国产CFD软件基本没发现，但据不知名网友透露，在神秘部门用了很多自己开发的软件，不过这玩意儿我们平头百姓摸不着，也无从去考证消息是否属实。开源的通用CFD求解器可以使用OpenFOAM或Code Saturne。
后处理。不需要选择，ParaView毫无疑问。

1 几何建模

几何建模可以尝试使用FreeCAD。FreeCAD是一款开源的CAD软件，其基于开源库OpenCASCADE，能够应付绝大多数几何建模问题。其官方网址：https://www.freecadweb.org/，提供了windows、Mac以及Linux版本的下载。FreeCAD开源代码仓库地址为https://github.com/FreeCAD/FreeCAD，有软件开发兴趣的道友可以试试，目前有不少人开发了基于FreeCAD的有限元和有限体积法插件用于结构和流体计算。

注：Open CASCADE（官网地址https://www.opencascade.com/）是一套开放源码的CAD/CAM/CAE几何模型核心，源自于法国的Matra Datavision公司，这一套函数库系统原来是著名的CADCAM软体EUCLID的开发平台，但是在1998年， Matra Datavision改变了经营策略，从以销售软体为主改变为提供CAD/CAM/CAE软体服务为主的获利模式，并且在1999年公布Open CASCADE的程序源代码，任何人都可以在该公司的网站上下载并且使用这些代码。可惜国内那么多宣称搞自主软件的公司，就没几个搞出了名堂。
”

FreeCAD的工作界面如下图所示，看着有点粗糙，不过几何建模基本功能还算齐全。

▲ FreeCAD工作界面

2 几何处理及网格划分

采用Salome进行几何清理及网格划分是最理想的选择。

Salome（官网地址：https://www.salome-platform.org/）可以用于数值模拟的前处理及后处理。其包含了部分的几何建模功能，包含较为强大的几何清理功能以及网格生成功能，同时还具备较强的后处理功能。目前有不少独立开发的开源求解器可以被集成到Salome中，从而形成完整的数值仿真平台。如Salome官方提供了Salome-mech（集成了开源固体结构求解器Code-Aster）、Salome-CFD（集成了开源流体求解器Code_Saturne）等。

Salome官网提供的该软件的核心功能：

创建，修改，导入和导出几何模型(IGES, STEP, BREP，…)，��复和清理CAD模型
为CAD模型生成网格、编辑网格、检查网格质量、导入和导出网格数据(MED, UNV, DAT, STL，…)
处理几何模型的物理属性
使用一个或多个外部求解器执行求解计算
显示计算结果(标量、矢量数据)
流程管理(创建、保存、重新加载等)。

Salome基于OpenCASCADE，其官网提供了Linux版本及Windows版本，同时也提供了源代码版本，用户可以在源代码基础上进行自己的前后处理器。下图为Salome的后处理模块（呃，其实就是Paraview）。

事实上Salome只是一个平台，其将大量的开源模块集成到了一起。

▲ Salome工作界面

3 CFD求解器

开源CFD求解器其实有很多，不过大多是专注某一领域。通用的开源CFD求解器目前应用比较多的有OpenFOAM及Code_Saturne。

国内耍OpenFOAM（官网地址：https://openfoam.org/）的较多，但大多都是打着算法开发的旗子，真正将OpenFOAM用于工程的见得不多。纯正的OpenFOAM只是一个CFD算法库，不过其中给出了一些常用应用场景的求解器（标准求解器），这些求解器使用的都是公开的算法，和商业CFD软件相比（默认设置条件下的收敛性、稳定性、计算精度、并行效率等方面的比较），技术上还存在不小的差距。

OpenFOAM目前以文件式输入参数，估计官方未来也不会有GUI。不过已经有一些基于OpenFOAM求解器开发的GUI界面软件（我了解到的如TCFD、simflow等商业软件），还有一大批基于web界面以OpenFOAM作为求解器的云端CFD软件。TCFD我没有使用过（申请使用，人家不鸟我），不过在油管上看了不少TCFD的演示视频，其基于ParaView进行界面开发，看着不是有点土。simflow的界面看着比较清爽，不过试用版只限制最大网格数量为200000，这点儿网格量很多二维都耍不了。国内那些嚷嚷着开发工业软件的团队，怎么就没有人搞一个类似的呢？别整天想着国家投钱造轮子，先拿个能用产品的把生态建立起来再考虑造轮子，难道不好么？

Code_Saturne 是由法国EDF公司自1997年起研发的一款通用计算流体力学开源软件。其基于有限体积方法，支持多种类型网格，可求解纳维-斯托克斯方程，可处理多种流体计算问题。Code Saturne官方网址：https://www.code-saturne.org/。与OpenFOAM不同，Code_Saturne更像是一款通用软件，其拥有GUI界面，也可以作为求解器直接集成到Salome中，对于工程应用来说，其友好程度完胜OpenFOAM，当然Code_Saturne作为开源软件，其代码也是可以直接操纵的，其源代码仓库地址：https://github.com/code-saturne/code_saturne。但是Code_Saturne源代码用的是Fortran语言，虽然最近加了很多Python包装，但总觉得没有多少开发价值，不过直接作为求解器使用还是不错的，搞开发的话，还是OpenFOAM吧，毕竟用的是C++。